DE4217289C2 - Fluidgekühlte Leistungstransistoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidgekühlte Leistungstransistor­ anordnung.

Zur Steuerung elektrischer Geräte und Maschinen werden in großem Umfang Halbleiterventile eingesetzt. Maßgebend für die Art des einzusetzenden Ventils ist einerseits die Größe der zu steuernden Leistung und andererseits die maximale Betriebsfrequenz. Thyristoren und Triacs werden bei Netzfrequenz, d. h. in der Größenordnung von 50 Hz, eingesetzt und erlauben Leistungssteuerungen bis in der Größenordnung von 10 Megawatt. Für eine Vielzahl Anwen­ dungsfälle, insbesondere bei der Steuerung elektrischer Maschinen, werden jedoch höhere Schaltfrequenzen bis nahe an den Mega-Hertz-Bereich gefordert. Für Anwendungsfälle dieser Art werden Leistungstransistoren eingesetzt. Im Frequenzbereich um 10 kHz bei Leistungen in der Größen­ ordnung zwischen 10 und 100 kW können BIMOS-Leistungs­ transistoren und IGBT-Leistungstransistoren (Insulated Gate Bipolar Transistor) eingesetzt werden. Zu höheren Frequenzen hin, jedoch bei niedrigeren Leistungen, werden üblicherweise MOSFET-Leistungstransistoren eingesetzt.

Leistungshalbleiterelemente müssen gekühlt werden. Im aktiven Bereich des Halbleiterelements dürfen die Tempe­ raturen nicht über verhältnismäßig niedrige Temperatur­ werte hinaus ansteigen. Die Verlustwärme muß nicht nur durch das Halbleitersubstrat hindurch abgeführt werden, sondern auch durch Elektrodenplattierungen und mehr­ schichtige Trägerplatten, auf die das Halbleitersubstrat aufgebracht ist. Bei Leistungstransistoren der vorstehend erläuterten Art ist das Halbleitersubstrat zumindest auf einer Seite flächig mit einer den gesamten aktiven Be­ reich des Substrats überlappenden, je nach Typ den Mol­ lektor oder die Drain-Elektrode bildenden Basis-Metall­ plattierung versehen. Die übrigen Elektroden des Transi­ stors, also Basis und Emitter oder Gate- bzw. Source-Elektrode, sind auf der gegenüberliegenden Flachseite des Halbleitersubstrats zugänglich. Bei herkömmlichen Lei­ stungstransistoren schließt an die flächige Basis-Metall­ plattierung eine fluidgekühlte Kühlkörperanordnung an, die die Verlustwärme des aktiven Bereichs des Transistors durch das Halbleitersubstrat und die Basis-Metallplattie­ rung hindurch abführt. Da die Temperatur im aktiven Bereich gleichmäßig innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte gehalten werden muß, kommt es darauf an, daß die Kühlkör­ peranordnung flächig mit gleichmäßigen Wärmeübergangsei­ genschaften an das Halbleitersubstrat des Halbleiterele­ ments anschließt. Ein direkter Anschluß des Kühlkörpers an das Halbleitersubstrat ist angesichts der hohen Span­ nungen (1000 V und mehr) und hohen Ströme (beispielsweise 100 Ampere) in der Regel nicht möglich, so daß das Halb­ leitersubstrat auf einem Isolierträger aufgebracht werden muß, über den bei bisherigen Leistungstransistoranordnun­ gen die Verlustwärme aus dem Halbleiterelement in die Kühlanordnung abgeleitet werden muß. So ist es üblich, das Halbleiterelement auf einer beidseitig kupferplat­ tierten Keramikplatte aufzubringen und die Keramikplatte mit der dem Halbleiterelement fernen Seite auf eine Trägerplatte, zum Beispiel aus Stahl, aufzulöten. Die Stahlplatte wird ihrerseits mit einer Zwischenschicht einer Wärmeleitpaste auf das beispielsweise wassergekühl­ te Kühlelement aufgesetzt. Geeignete Kühlkörperanordnun­ gen sind beispielsweise aus EP 447 835 A2 bekannt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Schaltleistungskapazität von Leistungstransistoren vielfach nicht vollständig ausge­ nutzt werden kann, oder aber es zu Ausfällen von Lei­ stungstransistoren kommt, wenn in der die Keramikplatte mit der Stahlplatte verbindenden Lötschicht oder in der Wärmeleitpastenbeschichtung Inhomogenitäten verbleiben, die zu einer lokalen Überhitzung des Halbleiterelements und damit zur Zerstörung des Transistors führen können.

Zur Verbesserung der Kühlwirkung von Leistungstransisto­ ren ist es bekannt, die auf der substratfernen Seite angeschlossenen Zuleitungsbänder mit Kühlkörpern zu versehen, die die Kühlung des aktiven Bereichs des Halb­ leiterelements verstärken (EP 252 429 A1 und EP 449 435 A2). Gleichfalls ist es bekannt (EP 260 370 A2), auf der von der aktiven Fläche fernen Flachseite des Halbleiter­ elements einen mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper stoffschlüssig anzubringen und die Kühlrippen einer Kühlluftströmung auszusetzen.

Schließlich ist es aus der DE 41 01 205 A1 bekannt, das plattenförmige Halbleiterelement einer Leistungsdiode bzw. eines Leistungsthyristors in einem Kühlfluidkanal anzuordnen und beidseitig durch nachgiebige Kontaktbür­ sten zu kontaktieren. Die Kontaktbürsten bestehen jeweils aus einer Vielzahl einzelner untereinander paralleler Drahtstücke, die durch das am Halbleiterelement entlang strömende Kühlfluid gekühlt werden. Die Kontaktbürsten erlauben jedoch keine flächige Wärmeabfuhr, wie sie für die Kühlung des Halbleiterelements eines Leistungstransi­ stors erforderlich wäre. Als Kühlfluid wird in DE 41 01 205 A1 Wasser, Luft, Öl oder ein kohlenwasserstoffhal­ tiges Kühlmittel vorgeschlagen.

Aus DE-OS 22 40 822 ist ferner ein hochintegriertes IC in Form einer LSI-Schaltung bekannt, bei weichem die Halbleiter­ elementscheibe zwar auf einer Isoliersubstratplatte ange­ bracht ist, die jedoch auf ihrer dem Halbleiterelement abgewandten Seite nicht ausschließlich und direkt dem Kühlfluid ausgesetzt ist. Auf der dem Halbleiterelement abgewandten Seite ist ein Metallisierungsmuster aufgebracht, an dem eine Rippenstruktur angelötet ist.

Aus DE 29 38 096 A1 ist, ähnlich der aus DE 41 01 205 A1 bekannten Leistungsdiode, die Halbleiterscheibe eines Thyri­ stors oder Triacs über eine Vielzahl Einzelkontakte auf beiden Flachseiten angeschlossen, wobei zwischen den Einzel­ kontakten Durchtrittskanäle für ein Kühlfluid belassen sind.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine fluidgekühlte Leistungstransistoranordnung zu schaffen, bei der zuver­ lässiger als bisher für eine gleichmäßige Kühlung des Halbleiterelements der Leistungstransistoranordnung gesorgt ist.

Die Erfindung geht von einer fluidgekühlten Leistungstransi­ storanordnung, insbesondere für elektrische Ventilanordnungen aus, welche umfaßt:

• - Ein plattenförmiges Transistor-Halbleiterelement, das auf einer ersten seiner Flachseiten eine die gesamte Flachseite abdeckende, geschlossenflächig stoffschlüssig mit dem Transistor-Halbleiterelement verbundene, als Kollektor oder Drain des Transistor-Halbleiterelements ausgebildete Metallelektrode und auf seiner zweiten Flachseite mehrere im Abstand voneinander stoffschlüssig an dem Transistor-Halbleiterelement angebrachte An­ schlüsse für Basis und Emitter oder Gate und Source trägt,
• - einen in Richtung der ersten Flachseite über das Transistor-Halbleiterelement vorstehenden, elektrisch isolierenden Isolierträger, an dem das Transistor-Halb­ leiterelement mit dem Isolierträger zugewandter erster Flachseite gehalten ist und
• - eine in Wärmeübertragungskontakt mit zumindest einer der Flachseiten des Transistor-Halbleiterelements stehende Fluid-Kühlanordnung mit einem Kühlfluidkanal und Mitteln zur Erzeugung einer Zwangsströmung eines Kühlfluids in dem Kühlfluidkanal.

Ausgehend von einer solchen Leistungstransistoranordnung wird die vorstehende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß auf der dem Transistor-Halbleiterelement abgewandten Seite der Metallelektrode als Bestandteil des Isolierträgers ausschließlich eine Isoliermaterialplatte oder eine Isolier­ materialschicht angeordnet ist, mit der die Metallelektrode entweder auf ihrer gesamten Fläche oder an den Rändern einer durch die Isoliermaterialplatte hindurchgehenden, im übrigen von der Metallelektrode jedoch überdeckten Aussparung der Isoliermaterialplatte geschlossenflächig und stoffschlüssig mit der Isoliermaterialplatte bzw. Isoliermaterialschicht verbunden ist
und daß die Flachseite der Isoliermaterialplatte bzw. Isoliermaterialschicht oder die durch die Aussparung hindurch zugängliche Flachseite der Metallelektrode direkt der Kühlfluid-Zwangsströmung in dem Kühlfluidkanal ausgesetzt ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die bei herkömmli­ chen Leistungstransistoren für die Befestigung am Kühl­ körper vorgesehenen Trägerplatten bis auf den für den Be­ trieb erforderlichen Isolierträger wegzulassen und statt dessen den Isolierträger bzw. das gegebenenfalls mit einer dünnen Schutzbeschichtung versehene Halbleiterelement direkt und über seine gesamte Flachseitenfläche dem Kühl­ fluid auszusetzen. Auf diese weise läßt sich eine gleich­ mäßige Kühlung des Halbleiterelements erreichen, da stoff­ schlüssige Verbindungen zwischen aufeinanderfolgenden Materialschichten, beispielsweise von Trägerplatten oder dergleichen, auf ein Minimum beschränkt sind. Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein Gas, vorzugsweise ein unter Druck stehendes Gas, wie zum Beispiel Stickstoff, oder eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser oder Öl, speziell Öl auf Mineralbasis oder Paraffinbasis, oder ein synthetisches Öl handeln; es kann sich aber auch um ein Zwei-Phasen-Fluid, vorzugsweise ein Kältemittel oder CO₂ handeln.

Die Erfindung ist speziell für IGBT-Leistungstransistoren geeignet, jedoch auch für MOSFET-Leistungstransistoren, die bei hohen Betriebsfrequenzen Leistungen im Bereich von 100 kW und mehr und insbesondere Ströme von 5-100 A bei Spannungen von 100-1000 V schalten können.

Der Isolierträger wird wie bisher zur Befestigung des Halbleiterelements ausgenutzt. Bei dem Isolierträger handelt es sich um eine Trägerplatte aus Isoliermaterial, insbe­ sondere Keramik, an der das Halbleiterelement mit seiner Metallelektrode geschlossenflächig, stoffschlüssig angebracht ist. Alternativ kann der Isolierträger aber auch als zumindest auf einer Flachseite mit einer Iso­ lierschicht versehene Metallplatte ausgebildet sein, also beispielsweise als mit einer isolierenden Oxidschicht versehene Metallplatte ausgebildet sein. Die letztgenann­ te Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Metallplatte zugleich integral die Metallelektrode bildet.

Das Halbleiterelement kann vollständig in dem Kühlfluid­ kanal angeordnet sein, so daß das Kühlfluid sowohl auf der Seite des zweckmäßigerweise als Platte ausgebildeten Isolierträgers als auch auf der dem Isolierträger abge­ wandten Seite des Halbleiterelements kühlend entlang­ strömt. In einer bevorzugten Ausgestaltung mit plattenförmigem Isolierträger ist jedoch vorgesehen, daß der Isolierträger eine Wand des Kühlfluidkanals bildet und mehrere Halbleiterelemente neben­ einander, insbesondere in Richtung der Kühlfluid-Zwangs­ strömung hintereinander angeordnet gemeinsam trägt, da sich auf diese Weise mehrere elektrische Ventile, bei­ spielsweise in Form von ein oder mehreren Halb- oder Vollbrücken modulartig aufbauen lassen. Zu besonders einfachen Lösungen gelangt man, wenn zumindest zwei sich gegenüberliegende Wände des Kühlfluidkanals durch plat­ tenförmige, jeweils wenigstens ein Halbleiterelement tragende Isolierträger gebildet sind. Um eine gleichmäßi­ ge Kühlung und Wärmedehnung zu erreichen, tragen die beiden sich gegenüberliegenden Isolierträger bevorzugt eine gleiche Anzahl Halbleiterelemente. In der einfach­ sten Ausgestaltung genügt es, wenn die sich gegenüberlie­ genden Isolierträger durch Dichtleisten zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal verbunden sind.

Bei den vorstehend erläuterten Ausgestaltungen, bei welchen die Isolierträger wände des Kühlfluidkanals bilden, können die Halbleiterelemente auf der Innenseite des Kühlfluidkanals oder auch auf der Außenseite angeord­ net sein, wobei letztere Gestaltung den Vorteil hat, daß sie leichter angeschlossen werden kann.

Bei herkömmlichen Leistungstransistoren überlappt der üblicherweise gleichfalls plattenförmige Isolierträger geschlossen­ flächig das Halbleiterelement.

Gemäß der Erfindung kann im Gegensatz zu Isolier­ trägern herkömmlicher Leistungstransistoren der Isolier­ träger auch so ausgebildet sein, daß er nur partiell mit dem Halbleiterelement überlappt, vorzugsweise gerade so viel, daß das Halbleiterelement dauerhaft an dem Isolier­ träger befestigt werden kann. Dies hat den Vorteil, daß auch die mit der Metallelektrode versehene Flach­ seite des Halbleiterelements ohne Zwischenschaltung des Isolierträgers unmittelbar der Kühlfluidströmung ausge­ setzt werden kann. Als Isolierträger werden damit Wände des Kühlfluidkanals ausgenutzt. Der Isolierträger, bei dem es sich wiederum um eine Isoliermaterial-Platte handeln kann, ist mit einer durchgehenden Aussparung versehen, an deren Rändern das Halbleiterelement befe­ stigt ist, und zumindest mit seiner ersten Flachseite durch die Aussparung hindurch der Kühlfluidströmung ausgesetzt ist. Insbesondere kann der Isolierträger quer zur ersten Flachseite des Halbleiterelements verlaufende Seitenwände des Kühlfluidkanals bilden, beispielsweise in der Form, daß der Isolierträger zumindest im Bereich der Aussparung im wesentlichen U-förmigen Querschnitt hat, so daß an den Rändern der durch den U-förmigen Querschnitt gebildeten Schenkel das Halbleiterelement aufsitzt.

Es versteht sich, daß auch in der Ausgestaltung, bei welcher der Isolierträger lediglich teilweise mit den Flachseiten des Halbleiterelements überlappt, mehrere der Halbleiterelemente an einem gemeinsamen Isolierträger zu einem Modul zusammengefaßt werden könnten. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Isolierträger als Profilkörper ausgebildet ist, der wenigstens ein oder mehrere in Strömungsrichtung des Kühlfluids hintereinan­ der angeordnete Halbleiterelemente trägt, von denen jedes zumindest einen Leistungstransistor umfaßt. Der zur Bildung des Kühlfluidkanals ausgenutzte Isolierträger kann neben den quer zum Halbleiterelement verlaufenden Seitenwänden des Kühlfluidkanals auch Teile der in der Ebene des Halbleiterelements verlaufenden Wände bilden.

Bei der vorstehend erläuterten Ausgestaltung können die Halbleiterelemente jeweils für sich und voneinander gesondert an dem Profilkörper befestigt sein. Nachdem die Halbleiterelemente jedoch entsprechend herkömmlichen Herstellungsverfahren in größerer Anzahl auf einem ge­ meinsamen Halbleitersubstrat hergestellt werden, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, daß jeweils mehrere einteilig miteinander verbundene Halbleiterele­ mente an dem Profilkörper befestigt werden. Dies erleich­ tern die Abdichtung des Kühlfluidkanals.

Eine besonders einfache Ausgestaltung, bei welcher mehre­ re Halbleiterelemente zu einem Modul zusammengefaßt werden können, sieht vor, daß zumindest zwei sich gegen­ überliegende Wände des Kühlfluidkanals im wesentli­ chen vollständig durch jeweils wenigstens ein Halbleiter­ element gebildet sind und die sich gegenüberliegenden Halbleiterelemente durch Dichtleisten zu einem in Um­ fangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal verbunden sind. Die Dichtleisten können durch Wände gebildet sein, die gegebenenfalls in ihrer Höhe die Breite der Halblei­ terelement übertreffen; bei den Dichtleisten kann es sich aber auch um vergleichsweise flache Leisten handeln.

Bei der Kühlfluidströmung handelt es sich um eine Zwangs­ strömung, um einen hinreichenden Wärmetransport zu ge­ währleisten. Um eine Verschmutzung oder Kontaminierung des Halbleiterelements oder des Isolierträgers zu verhin­ dern, umfaßt die Fluid-Kühlanordnung zweckmäßigerweise einen geschlossenen Kühlfluidkreislauf, in welchem das Kühlfluid nacheinander durch den Kühlfluidkanal und einen Kühler, d. h. einen die Wärme abgebenden Wärmetauscher, zirkuliert. Soweit als Kühlfluid ein Zwei-Phasen-Fluid benutzt wird, umfaßt der Kühlfluidkreislauf bevorzugt einen Verdampfer und einen Kondensator, wobei der Kühl­ kanal den Verdampfer bildet. Eine solche nach Art einer Wärmepumpe arbeitende Anordnung erlaubt auch bei geringe­ rer Fluidströmung hinreichende Kühlung.

Insbesondere bei Isolierträgern, die vollflächig mit dem Halbleiterelement verbunden sind, kann die Kühlleistung erhöht werden, wenn der Isolierträger auf seiner dem Halbleiterelement abgewandten, der Kühlfluidströmung ausgesetzten Seite mit einer seine Wärmetauschfläche vergrößernden Struktur, insbesondere Rippen oder Vor­ sprüngen, versehen ist. Soweit im Vorstehenden von plat­ tenförmigen Isolierträgern die Rede ist, sollen derartige Strukturen jeweils mit eingeschlossen sein.

Die Verwendung von Rippen oder dergleichen zur Vergröße­ rung der Wärmetauschflächen bei Kühlanordnungen, wie zum Beispiel Kühlkörpern oder dergleichen, ist bekannt.

Die Kühlleistung der Fluid-Kühlanordnung kann erhöht werden, wenn zumindest ein Teil der Wandoberfläche des Kühlfluidkanals, der der Kühlfluidströ­ mung ausgesetzt ist, bzw. bei einer Leistungstransistoran­ ordnung gemäß der vorstehend erläuterten Art zumindest ein Teil der Oberfläche des Isolierträgers oder des Halbleiterelements mit einer die Dicke der Kühlfluid-Strö­ mungsgrenzschicht mindernden Oberflächen-Mikrostruktur versehen ist. In dieser Ausgestaltung wird von der Überlegung ausgegangen, daß der Kühleffekt der Kühlfluidströmung umso größer ist, je geringer die Dicke der Strömungsgrenzschicht ist, innerhalb der die Kühlfluidströmung auf Scherung beansprucht und gebremst wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Mikrostrukturen, die die Oberflächenreibung mindern, eine Verbesserung der Kühlwirkung einer Kühlfluidströmung bewirken, da sie die Grenzschichtdicke herabsetzen. Mikrostrukturen, die die Reibung von Flüssigkeiten an Oberflächen mindern, sind bekannt und wurden unter ande­ rem an der Haut von Haifischen studiert (D.W. Bechert und M. Bartenwerfer "The Viscous Flow on Surfaces with Longi­ tudinal Ribs" J. Fluid Mech. 1989, Vol. 206, Seiten 105 bis 129, und D.W. Bechert, G. Hoppe, W.-E. Reif "On the Drag Reduction of the Shark Skin" AIAA Shear Flow Control Conference, March 12-14, 1985, Boulder, Colorado).

Als besonders geeignet zur Kühlleistungsverbesserung haben sich Mikrostrukturen erwiesen, die als Rippenmuster mit in Strömungsrichtung der Kühlfluidströmung langge­ streckten, im wesentlichen parallelen Mikrorippen ausge­ bildet sind, und zwar insbesondere dann, wenn die Mikro­ rippen zumindest angenähert zu einer Schneide sich ver­ jüngende Rücken haben. Die Höhe der Rippen und ihr Quer­ abstand liegt zweckmäßigerweise in der Größenordnung der Grenzschichtdicke oder ist kleiner als die Grenzschicht­ dicke. Bei dem Kühlfluid handelt es sich zweckmäßigerwei­ se um ein Einstoffsystem.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung einer fluidgekühlten Leistungs­ transistoranordnung;

Fig. 2 bis 4 Schnittansichten von Varianten der Lei­ stungstransistoranordnung nach Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines fluidge­ kühlten Moduls mit mehreren Leistungstransisto­ ren;

Fig. 6 eine Schnittansicht des Moduls, gesehen entlang einer Linie VI-VI in Fig. 5;

Fig. 7 eine Schnittansicht einer Variante des Moduls aus Fig. 5;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer aus mehreren Modulen bestehenden Baueinheit;

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Flüssigkeits­ kühlanordnung für einen Leistungstransistor;

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Kältemittel-Kühl­ anordnung für einen Leistungstransistor;

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung mit gasförmigem Kühlfluid für einen Leistungs­ transistor;

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer Oberflä­ chen-Mikrostruktur zur Verbesserung der Kühl­ leistung eines fluidgekühlten elektrischen Ven­ tils;

Fig. 13 eine Variante der Oberflächen-Mikrostruktur und

Fig. 14 eine Schnittansicht durch die Oberflächen-Mikro­ struktur, gesehen entlang einer Linie XIV-XIV in Fig. 13.

Fig. 1 zeigt in einer Darstellung, in der die Dickenver­ hältnisse der einzelnen Komponenten nicht maßstabsgetreu sind, ein Leistungstransistormodul, hier ein IGBT-Modul, mit einem ersten Chip bzw. Halbleiterelement 1 mit einer mehrere Leistungstransistoren umfassenden Transistor­ schaltung und einem zweiten Chip bzw. Halbleiterelement 3, welches die Steuerelektronik und Schutzbeschaltung für die Leistungstransistoren enthält und über Verbindungs­ leitungen 5 mit dem ersten Halbleiterelement 1 verbunden ist. Die Halbleiterelemente 1, 3 sind stoffschlüssig mit einer beispielsweise eutektisch erzeugten, insbesondere aus Kupfer bestehenden Metallplattierung 7 fest verbunden. Die Metallplattierung 7 bildet den Kollektor der Leistungs­ transistoren des Halbleiterelements 1 und ist ebenso wie mit dem Halbleiterelement 1 mit einer keramischen Isolier­ platte 9 stoffschlüssig, flächig und homogen verbunden. Die Isolierplatte 9 ist teilweise randseitig in Schienen 11 eines in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanals 13 gehalten, und zwar so, daß sowohl die der Isolierplatte 9 abgewandte Flachseite des Halbleiterelements 1 als auch die dem Halblei­ terelement 1 abgewandte Flachseite der Isolierplatte 9 einer durch Pfeile 15 angedeuteten Kühlfluidströmung ausgesetzt ist. Als dünne Drähte ausgebildete Steuerleitungen 17 und als Kupferbänder ausgebildete Stromschienen 19 verbinden die Schaltungen der Halbleiterelemente 1, 3 mit auf der Außenseite des Kühlkanals 13 angeordneten Anschlüssen 21. Von den beiden Halbleiterelementen ist zumindest das Halbleiterelement 1, was den Wärmedurchgang anbetrifft, im wesentlichen unmittelbar dem Kühlfluidstrom 15 ausgesetzt, so daß es von beiden Seiten ganzflachig gekühlt wird. Trotz kompakter Abmessungen läßt sich auf diese Weise eine hohe Leistungsdichte erreichen. Da zwischen dem Halbleiterelement 1 und der Isolierplatte 9 lediglich die Metallplattierung 7 als einzige Zwischenschicht verbleibt, läßt sich mit hinreichender Sicherheit eine homo­ gene, stoffschlüssige Verbindung zwischen Halbleiterelement 1 und Isolierplatte 9 erreichen, was der Temperaturfestigkeit und Betriebssicherheit des IGBT-Moduls zugute kommt. Die Schiene 11 ist vorzugsweise elastisch und isolierend (z. B. aus Silikonkautschuk) ausgeführt.

In dem Kühlkanal 13 können mehrere IGBT-Module in Stro­ mungsrichtung 15 hintereinander auf einer gemeinsamen Isolierplatte angeordnet sein, wie dies bei 23 angedeutet ist. Es versteht sich, daß das Kühlfluid nicht auf beiden Seiten der Isolierplatte 9 durch den Kühlkanal 13 gelei­ tet werden muß. Im Einzelfall kann es genügen, wenn lediglich auf der den Halbleiterelementen 1, 3 abgewand­ ten Seite zwischen Isolierplatte 9 und Kühlkanal 13 ein Kühlfluid hindurchströmt. Alternativ kann auch lediglich der die Halbleiterelemente 1, 3 überdeckende Teil des Kühlkanals 13 vorhanden bzw. für die Kühlfluidströmung ausgenutzt sein. Es versteht sich, daß anstelle von IGBT-Modulen die Halbleiterelemente 1, 3 auch mit anderen Leistungstransistortypen realisiert sein können, bei­ spielsweise Bipolar-Leistungstransistoren oder MOSFET-Leistungstransistoren mit oder ohne Treiberstufen oder Schutzbeschaltung. Auch kann die auf dem Halbleiter­ element 3 vorgesehene Steuerschaltung gegebenenfalls durch eine externe elektronische Schaltung ersetzt sein.

Fig. 2 zeigt eine Variante des IGBT-Moduls, die sich von dem Aufbau der Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß die über die Metallisierung 7a stoffschlüssig und ganzflächig auf der keramischen Isolierplatte 9a befestigten, wiederum plattenförmigen Halbleiterelemente 1a, 3a bis auf die Kon­ taktstellen der Steuerleitungen bzw. der Kontaktbänder 19a mit einer dünnen Schutzschicht 25 überzogen sind, die die aktive Zone der Halbleiterelemente 1a, 3a vor Kontaminierung mit dem Kühlfluid schützt. Bei der Schutzschicht 25 kann es sich beispielsweise um eine Beschichtung aus Silikonkautschuk handeln, die von einer Metallfolie nach außen hin abgedeckt ist. Zur weiteren Erläuterung wird hier, wie auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, auf die vorangegangenen Figuren und deren Beschreibung Bezug genom­ men, wobei zur Bezeichnung gleichwirkender Komponenten die Bezugszahlen der vorangegangenen Figuren benutzt werden, allerdings unter Hinzufügung eines unterscheidenden Buch­ stabens.

Fig. 3 zeigt eine Variante eines IGBT-Moduls, dessen Halbleiterelemente 1b, 3b auf einer der Funktion nach der Metallisierung 7 entsprechenden Metallplatte 7b, bei­ spielsweise einer Kupferplatte, geschlossenflächig, stoffschlüssig befestigt sind. Die Metallplatte 7b ist außerhalb der Bereiche der Halbleiterelemente 1b, 3b, zumindest jedoch auf der den Halbleiterelementen 1b, 3b abgewandten Flachseite mit einer Isolierschicht, bei­ spielsweise einer dünnen Oxidschicht 9b, versehen. Die Metallplatte 7b übernimmt neben der Elektrodenfunktion die Befestigungsfunktion der Isolierplatte 9 aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt eine Variante, bei welcher die Halbleiter­ elemente 1c, 3c ganzflächig auf einer Metallisierung 7c angeordnet sind, die zugleich Elektrodenfunktion hat. Die Isolierplatte 9c ist hingegen mit einer durchgehenden, zumindest von dem die Leistungstransistoren enthaltenden Halbleiterelement 1c überlappten Aussparung 27 versehen, durch die hindurch das Kühlfluid unmittelbar in Wärmetausch­ kontakt mit der Metallisierung 7c und damit dem Halblei­ terelement 1c treten kann, was die Verlustwärmeabfuhr er­ leichtert. Die Aussparung 27 überlappt das Halbleiterele­ ment 1c im wesentlichen vollständig. Das Halbleiterelement 1c ist lediglich im Randbereich der Aussparung 27 auf der Isolierplatte 9c abgestützt. Wie in Fig. 4 durch eine ge­ strichelte Linie 13c angedeutet, kann der Kühlkanal zusam­ men mit der Isolierplatte 19c auch die Form eines Profil­ rohres, hier eines gegebenenfalls einteiligen Rechteckrohrs, haben, auf dem die Halbleiterelemente 1c, 3c nachträglich und von außen befestigt werden. Es versteht sich, daß derar­ tige Kühlkanalkonstruktionen auch bei den Varianten der Fig. 1 bis 3 eingesetzt werden können.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das es erlaubt, mehrere IGBT-Module, von denen jedes wie auch bei den zuvor erläuterten Beispielen ein elektrisches Ventil bildet zu Ventilmodulen, insbesondere in Form von Halb­ brücken oder Vollbrücken, teils in Parallel- oder Serienschaltung, gegebenenfalls auch mehreren dieser Brücken zusammenzufassen. Der allgemein mit 29 bezeichnete Modul umfaßt zwei zueinander parallel ange­ ordnete, aus Keramikmaterial bestehende Isolierplatten 9d, die entlang ihrer Längsränder durch vorzugsweise elastische Dichtleisten 31 zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlkanal 13d verbunden sind. Pfeile 15d deuten wiederum die Strömungsrichtung des Kühlfluids an. Jede der beiden Isolierplatten 9d trägt auf ihrer kühl­ kanalfernen Flachseite mehrere in Strömungsrichtung 15d hintereinander angeordnete Halbleiterelemente 1d, von denen jedes ein gesondertes IGBT-Ventil bildet. Die Anzahl der Halbleiterelemente 1d auf jeder der beiden Isolierplatten 9d ist gleich. Die Halbleiterelemente 1d sind, wie Fig. 6 erkennen läßt, wiederum über Metallisie­ rungen 7d auf die Isolierplatten 9d ganzflächig form­ schlüssig aufgebracht. Die Anschlüsse sind bei 19d zu erkennen. Halbleiterelemente mit Steuerschaltungen oder dergleichen können vorhanden sein, sind jedoch nicht dargestellt. Es versteht sich, daß die Varianten der Fig. 2 bis 4 auch bei dem Modul 29 eingesetzt werden können.

In Fig. 5 sind die Halbleiterelemente 1d jedes Ventils voneinander gesondert und im Abstand auf den Isolierplat­ ten 9 angeordnet. Da Halbleiterelemente der in Rede stehenden Art üblicherweise in gleicher Gestaltung mehr­ fach nebeneinander auf Halbleitersubstratscheiben herge­ stellt werden, können gegebenenfalls auch mehrere der Halbleiterelemente 1d einstückig miteinander verbunden sein, wie dies in Fig. 5 bei 33 angedeutet ist.

Fig. 7 zeigt eine weitere Variante, die auf integral miteinander verbundenen Halbleiterelementen 1e aufbaut. Die Halbleiterelemente 1e von jeweils mehreren elektri­ schen Ventilen werden gemeinsam aus der vorstehend er­ wähnten Substratscheibe ausgeschnitten und mit einer Metallisierung 7e vergehen. Die Halbleiterelementplatten 1e sind zueinander parallel angeordnet und sind über abdichtende Abstandleisten 31e miteinander verbunden. Zusammen mit den Abstandleisten 31e begrenzen die Halb­ leiterelementplatten 1e einen in Umfangsrichtung ge­ schlossenen Kühlkanal 13e. Die Anschlüsse der Ventile sind bei 19e angedeutet.

Fig. 8 zeigt schematisch, wie mehrere der Module 29 gemäß den Fig. 5 bis 7 zu einer Baueinheit vereinigt werden können. Die Module 29f sind in einem gemeinsamen Gehäuse 35 zueinander parallel in elastischen Schienen 37 gehal­ ten. Ihr Kühlkanal 13f ist an einem Ende mit einem ge­ meinsamen Kühlfluid-Zuleitungskanal 39 und am anderen Ende mit einem gemeinsamen Kühlfluid-Ableitungskanal 41 verbunden. Den Modulen 29f sind in der Modulebene ange­ ordnete Stützstege 43 zugeordnet, die mit Anschlußorganen 45 versehen sind. Die Anschlußorgane 45 dienen dem An­ schluß der Steuerleitungen und Stromschienen und sind, wie durch Leitungen 19f angedeutet, mit den Halbleiter­ elementen 1f der Module 29f verbunden.

Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein unter Atmosphären­ überdruck stehendes Gas, beispielsweise Stickstoff, eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, oder ein Öl, spe­ ziell ein Öl auf Mineralbasis, auf Paraffinbasis oder um ein synthetisches Öl handeln. Geeignet sind aber auch Zwei-Phasen-Fluide, wie zum Beispiel Kältemittel oder CO₂. Das Kühlfluid wird in einer Zwangsströmung im Kreis­ lauf durch den Kühlkanal geleitet.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kühlanord­ nung mit einer Flüssigkeit als Kühlfluid. Die Kühlflüs­ sigkeit wird von einer Pumpe 47 über einen Kühler bzw. Wärmetauscher 49 dem Kühlkanal 13g im Kreislauf zugeführt.

Die Kühlanordnung umfaßt einen Temperaturregelkreis 51, der mittels eines Temperaturfühlers 53 die Temperatur des bei 1g angedeuteten, in Wärmetauschkontakt mit der Kühl­ flüssigkeit stehenden Halbleiterelements mißt und bei­ spielsweise mittels eines Lüfters 55, der die Kühllei­ stung des Kühlers 49 beeinflußt, die Halbleitertemperatur auf einen bei 57 einstellbaren Sollwert hält. Bei 59 ist der Vollständigkeit halber ein Ausgleichsgefäß für Kühl­ flüssigkeit angedeutet.

Fig. 10 zeigt eine Variante, bei der zur Kühlung des Halbleiterelemente 1h ein Zwei-Phasen-Kältemittel einge­ setzt wird. Nach Art einer Wärmepumpe wird das von einem Kompressor 61 verdichtete Kältemittel in einem Kondensa­ tor 63, zum Beispiel mittels eines Lüfters 65 abgekühlt und verflüssigt. Der Kühlkanal 13h bildet einen Verdampfer, in welchem das flüssige Kältemittel über eine Düse 67 oder dergleichen eingeführt und durch Wärmeaufnahem verdampft wird. Die Verwendung des Kältemittels als Kühlfluid erlaubt kompakteren Aufbau der Kühlanordnung.

Fig. 11 zeigt der Vollständigkeit halber einen geschlos­ senen Kühlmittelkreislauf für ein gasförmiges Kühlfluid, das von einem Kompressor 69 verdichtet wird, bevor es nachfolgend in einem Kühler bzw. Wärmetauscher 71 abge­ kühlt und dann dem Kühlkanal 13i für den Wärmetauschkon­ takt mit dem Halbleiterelement 1i zugeführt wird. Es versteht sich, daß auch die Varianten der Fig. 10 und 11 temperaturgeregelt ausgeführt sein können.

Der Wärmeübergang von den zu kühlenden Oberflächen der Halbleiterelemente bzw. der geschlossenflächig und stoff­ schlüssig mit den Halbleiterelementen verbundenen Metall­ plattierungen und Isolierplatten läßt sich insbesondere bei Flüssigkeiten als Kühlfluid durch Oberflächen-Mikro­ strukturen verbessert, die die Grenzschichtdicke des Kühlfluids vermindern. Bei der Grenzschicht handelt es sich um den Bereich der Kühlfluidströmung, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit durch die Reibung und Fluidhaf­ tung an der Wandfläche vermindert wird. Es hat sich gezeigt, daß "Haifischhaut"-ähnliche Oberflächenstruktu­ ren nicht nur die Fluidreibung an der Wandoberfläche mindern, sondern auch die Grenzschichtdicke herabsetzen. Mit abnehmender Grenzschichtdicke verkürzt sich der Abstand der die Wärme abgebenden Flächen zu den strömen­ den Bereichen des die Wärme aufnehmenden Kühlfluids.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer derartigen, die Grenz­ schichtdicke mindernden Oberflächen-Mikrostruktur. Die Mikrostruktur besteht aus einer Vielzahl zueinander paralleler, in Strömungsrichtung 15k des Kühlfluids verlaufender Rippen 72, deren Seitenflanken keilförmig zu einem schneidenartigen Rücken 73 sich verjüngen. Die Rippen 72 gehen in konkav gekrümmten Nuten ineinander über. Die Höhe der Rippen und ihr Abstand voneinander ist vorzugsweise kleiner als die Grenzschichtdicke.

Die in Fig. 12 dargestellte Rippenform hat sich als zweckmäßig erwiesen; andere Rippenformen sind jedoch ebenfalls von Nutzen, beispielsweise Rippen mit gerunde­ tem Rücken oder trapezförmige Rippen oder dergleichen.

Weitere grenzschichtmindernde Oberflächenstrukturen zeigen die Fig. 13 und 14. Diese Figuren zeigen in der Draufsicht rautenförmige Noppen bzw. Erhebungen 75, die in senkrecht zur zu kühlenden Oberfläche in Strömungs­ richtung 15l des Kühlfluids verlaufenden Ebenen keilför­ mig ansteigen. Die durch die Erhebungen 75 gebildeten Dachflächen können eben sein oder ebenfalls mit Mikrorip­ pen ähnlich Fig. 12 versehen sein, was bei 72 l angedeutet ist. Anstelle der in Fig. 13 dargestellten, in der Drauf­ sicht rautenförmigen Kontur können die Erhebungen 75 auch andere, allgemein polygonförmige Konturen haben. Geeignet sind unter anderem auch Dreieckformen, die mit einer ihrer Ecken in Strömungsrichtung 15l weisen. Auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 13 und 14 liegen die Abmes­ sungen der Erhebungen 75 in der Größenordnung der Grenz­ schichtdicke.

Ein wesentlicher Vorteil erfindungsgemäßer Ventilstruktu­ ren liegt darin, daß der Platzbedarf aufgrund der verbes­ serten Kühlung insgesamt verringert werden kann. Die elektrischen Ventile lassen sich damit besser als bisher in räumlicher Nachbarschaft zu den zu steuernden elektri­ schen Geräten unterbringen. Dies ist von besonderem Vorteil bei elektrischen Maschinen, beispielsweise Elek­ tromotoren oder elektrischen Generatoren mit durch die elektrischen Ventile zu schaltenden Feldwicklungen, da die Feldwicklungen dann über sehr kurze Zuleitungen angeschlossen werden können. Durch Verkürzung der Zulei­ tungen kann die Schaltkreisinduktivität gesenkt und damit die Ansprechzeit der elektrischen Ventile verkürzt wer­ den.

Claims (19)

1. Fluidgekühlte Leistungstransistoranordnung, insbeson­ dere für elektrische Ventilanordnungen, umfassend

• - ein plattenförmiges Transistor-Halbleiterelement (1), das auf einer ersten seiner Flachseiten eine die gesamte Flachseite abdeckende, geschlossenflä­ chig stoffschlüssig mit dem Transistor-Halbleiter­ element (1) verbundene, als Kollektor oder Drain des Transistor-Halbleiterelements ausgebildete Metall­ elektrode (7) und auf seiner zweiten Flachseite mehrere im Abstand voneinander stoffschlüssig an dem Transistor-Halbleiterelement angebrachte Anschlüsse (5) für Basis und Emitter oder Gate und Source trägt,
• - einen in Richtung der ersten Flachseite über das Transistor-Halbleiterelement (1) vorstehenden, elektrisch isolierenden Isolierträger (9; 7b, 9b), an dem das Transistor-Halbleiterelement (1) mit dem Isolierträger (9; 7b, 9b) zugewandter erster Flach­ seite gehalten ist
• - und eine in Wärmeübertragungskontakt mit zumindest einer der Flachseiten des Transistor-Halbleiterele­ ments (1) stehende Fluid-Kühlanordnung mit einem Kühlfluidkanal (13) und Mitteln zur Erzeugung einer Zwangsströmung (15) eines Kühlfluids in dem Kühl­ fluidkanal (13), dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Transistor-Halbleiterelement (1) abge­ wandten Seite der Metallelektrode (7) als Bestand­ teil des Isolierträgers ausschließlich eine Isoliermaterialplatte (9; 9a, c, d) oder eine Isoliermaterialschicht (9b) angeordnet ist, mit der die Metallelektrode (7) entweder auf ihrer gesamten Fläche oder an den Rändern einer durch die Isoliermaterialplatte (9c) hindurchgehenden, im übrigen von der Metallelektrode (7) jedoch überdeckten Aussparung (27) der Isolier­ materialplatte (9c) geschlossenflächig und stoff­ schlüssig mit der Isoliermaterialplatte (9; 9a, c, d) bzw. Isoliermaterialschicht (9b) verbunden ist und daß die Flachseite der Isoliermaterialplatte (9; 9a, c, d) bzw. Isoliermaterialschicht (9b) oder die durch die Aussparung (27) hindurch zugängliche Flachseite der Metallelektrode (7) direkt der Kühl­ fluid-Zwangsströmung in dem Kühlfluidkanal (13) ausgesetzt ist.

2. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermaterialplatte (9; 9d) aus Keramik besteht und eine Wand des Kühlfluidka­ nals (13; 13d) bildet.

3. Leistungstransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Isolierträger (9; 9d) mehrere Tran­ sistor-Halbleiterelemente (1; 1d) nebeneinander insbe­ sondere in Richtung der Kühlfluid-Zwangsströmung (15; 15d) hintereinander angeordnet gemeinsam trägt.

4. Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei sich gegenüberlie­ gende Wände des Kühlfluidkanals (13d) durch platten­ formige, jeweils wenigstens ein Transistor-Halbleiter­ element (1d) tragende Isolierträger (9d) gebildet sind.

5. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sich gegenüberliegenden Isolierträger (9d) eine gleiche Anzahl Transistor-Halb­ leiterelemente (1d) tragen.

6. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegen­ den Isolierträger (9d) durch Dichtleisten (31) zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal (13d) verbunden sind.

7. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierträger als die Seitenwände des Kühlfluidkanals (13c) bilden­ der Profilkörper ausgebildet ist, der wenigstens ein oder mehrere vorzugsweise einteilig miteinander ver­ bundene, in Strömungsrichtung des Kühlfluids hinter­ einander angeordnete Transistor-Halbleiterelemente (1c) trägt, von denen jedes zumindest einen Leistungs­ transistor umfaßt.

8. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei sich gegenüberlie­ gende Wände des Kühlfluidkanals (13e) im wesentlichen ausschließlich durch jeweils wenigstens ein, vorzugs­ weise durch mehrere einteilig miteinander verbundene, in Strömungsrichtung des Kühlfluids hintereinander angeordnete Transistor-Halbleiterelemente (1e), von denen jedes zumindest einen Leistungstransistor um­ faßt, gebildet sind und die sich gegenüberliegenden Halbleiterelemente (1e) durch Dichtleisten (31e) zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal verbunden sind.

9. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnete daß die Fluid-Kühlan­ ordnung einen geschlossenen Kühlfluidkreislauf (13g, 47, 49; 13h, 61, 63; 13i, 69, 71) umfaßt, in welchem das Kühlfluid nacheinander durch den Kühlfluidkanal (13g; 13h; 13i) und einen Kühler (49; 63; 71) zirku­ liert.

10. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfluidkreislauf einen Verdampfer und einen Kondensator (63) umfaßt und daß der Kühlkanal den Verdampfer (13h) bildet.

11. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid ein Gas, insbesondere unter Atmosphären-Überdruck stehendes Gas, vorzugsweise N₂, oder eine Flüssig­ keit, vorzugsweise Wasser oder Öl, speziell Öl auf Mineralbasis oder Paraffinbasis oder ein syntheti­ sches Öl, oder ein Zwei-Phasen-Fluid, vorzugsweise ein Kältemittel oder CO₂, ist.

12. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierträ­ ger (9; 7b, 9b) der Kühlfluidströmung ausgesetzt ist und auf seiner dem Transistor-Halbleiterelement (1; 1b) abgewandten Seite mit einer seine Wärmetauschflä­ che vergrößernden Struktur, insbesondere Rippen (72) oder Vorsprüngen (75), versehen ist.

13. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der der Kühlfluidströmung ausgesetzten Oberflä­ che des Isolierträgers (9; 7b, 9b) oder/und des Halbleiterelements (1), mit einer die Dicke der Kühlfluid-Strömungsgrenzschicht mindernden Oberflä­ chen-Mikrostruktur (72; 75) versehen ist.

14. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur als Rippenmuster mit in Strömungsrichtung (15k) der Kühlfluidströmung langgestreckten, im wesentlichen parallelen Mikrorippen (72) ausgebildet ist.

15. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mikrorippen (72) zumin­ dest angenähert zu einer Schneide (73) sich verjün­ gende Rücken haben.

16. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Rippen (72) und ihr Querabstand in der Größenordnung oder kleiner als die Grenzschichtdicke ist.

17. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro­ struktur eine Vielzahl vorzugsweise in einem Raster angeordnete Mikroerhebungen (75) umfaßt.

18. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mikroerhebungen (75) in der Draufsicht Polygonform, insbesondere Dreieck- oder Viereckform haben.

19. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroerhebungen (75) gesehen in einer in Strömungsrichtung (15l) verlaufenden Ebene senkrecht zur Oberfläche keilför­ mig ansteigen.